關(guān)于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫罐防雷防靜電措施分析

劉 姣 楊禮科 楊 軍

（1.成都市防雷中心，四川 成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

前言：

氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，可有效減輕廢氣排放所造成的空氣污染、縮減外國(guó)石油進(jìn)口和減少溫室氣體排放，因此，大力發(fā)展氫能源汽車(chē)是我國(guó)轉(zhuǎn)變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、保障能源安全、使經(jīng)濟(jì)保持可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。加氫站有利于實(shí)現(xiàn)氫能利用，它是氫能燃料電池汽車(chē)、氫能燃料分布式發(fā)電等氫能利用技術(shù)推廣應(yīng)用的必備基礎(chǔ)設(shè)施。

加氫站氫氣儲(chǔ)罐是高壓氣態(tài)氫儲(chǔ)存的關(guān)鍵設(shè)備，高壓儲(chǔ)氫罐由于材料結(jié)構(gòu)上的缺陷和氫的理化性質(zhì)，很容易遭受雷擊或產(chǎn)生靜電而引發(fā)火災(zāi)。因此，做好儲(chǔ)氫罐的防雷防靜電措施，具有十分重要的意義。本文分析了儲(chǔ)氫裝置技術(shù)的發(fā)展和高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫罐的結(jié)構(gòu)材質(zhì)，從高壓儲(chǔ)氫罐遭受雷擊或靜電引發(fā)火災(zāi)的原因入手，提出防雷防靜電的技術(shù)措施，以加強(qiáng)加氫站的高壓儲(chǔ)氫罐的安全管理。

1.儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展

1.1 氫的儲(chǔ)存技術(shù)

現(xiàn)有的氫氣儲(chǔ)存技術(shù)包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液氫儲(chǔ)存、金屬氫化物儲(chǔ)氫、低溫吸附儲(chǔ)氫、納米碳管高壓吸附儲(chǔ)氫以及液體有機(jī)氫化物儲(chǔ)氫等 ；高壓儲(chǔ)氫可在常溫下使用，具有儲(chǔ)氫罐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮氫氣制備的能耗較少、充裝速度快等優(yōu)點(diǎn), 已成為現(xiàn)階段氫能儲(chǔ)運(yùn)的主要方式。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是將氫氣冷卻至-253℃，液化儲(chǔ)存于低溫絕熱液氫罐中，儲(chǔ)氫密度較高，但液化過(guò)程能耗較高，儲(chǔ)存過(guò)程中存在蒸發(fā)損耗問(wèn)題。國(guó)內(nèi)液氫已在航天工程中成功使用，民用還未開(kāi)發(fā)。后面幾種儲(chǔ)氫方式現(xiàn)正在研發(fā)當(dāng)中。

目前國(guó)內(nèi)外已建汽車(chē)加氫站，基本上采用氫氣儲(chǔ)氣瓶組或固定儲(chǔ)氫罐兩種方式，氫氣儲(chǔ)氫瓶組有集裝式長(zhǎng)管儲(chǔ)氣瓶，其儲(chǔ)氫量較大可達(dá)數(shù)千至數(shù)萬(wàn)立方米，也有采用小容積氫氣鋼瓶?jī)?chǔ)氣，但氫氣儲(chǔ)氣量較小，且占地面積較大。20MPa高壓儲(chǔ)氫瓶組，通過(guò)長(zhǎng)管拖運(yùn)車(chē)運(yùn)到加氫站，作一級(jí)儲(chǔ)氫。目前，車(chē)用氫氣儲(chǔ)瓶壓力有35MPa和70MPa兩種，車(chē)用35MPa氫瓶最高儲(chǔ)罐壓力為45MPa，車(chē)用70MPa氫瓶最高儲(chǔ)罐壓力為90MPa。

1.2 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫容器的發(fā)展

固定式儲(chǔ)氫高壓容器包括單層鋼質(zhì)高壓容器、多層鋼質(zhì)高壓容器和復(fù)合材料高壓容器，多層鋼質(zhì)高壓儲(chǔ)存容器又分為層板包扎儲(chǔ)氫高壓容器和全多層儲(chǔ)氫高壓容器。復(fù)合材料高壓容器又分為鋼內(nèi)膽玻璃增強(qiáng)纖維儲(chǔ)氫容器、鋼內(nèi)膽碳纖維全纏繞容器、鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞容器和塑料內(nèi)膽全纏繞容器。

高壓儲(chǔ)氫罐，從單層到多層到復(fù)合層，可分四型：Ⅰ型瓶由金屬鋼組成；II型瓶采用金屬材質(zhì)為主，但是外層已經(jīng)纏繞玻璃纖維復(fù)合材料；III型、IV型瓶則主要是基于碳纖維增強(qiáng)塑料材料，前者內(nèi)膽多為鋁合金，后者內(nèi)膽為塑料，鋁合金和塑料內(nèi)襯為防止鋼材的氫脆發(fā)生，外部通過(guò)碳纖維增強(qiáng)塑料纏繞加工而成。從Ⅰ型到Ⅳ型，壁厚降低了75%。Ⅰ型、Ⅱ型重容比大，是目前加氫站主要采用固定儲(chǔ)氫方式；Ⅲ型、Ⅳ型因采用了纖維全纏繞結(jié)構(gòu)，具有抗疲勞性能好、重容比小、單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氧密度高等優(yōu)點(diǎn)，但由于容積受限的原因，且成本太高，目前主要用于氧燃料電池汽車(chē)。

1.2.1 單層鋼質(zhì)容器

單層旋壓無(wú)縫儲(chǔ)氫高壓容器（大無(wú)縫瓶式儲(chǔ)氫高壓容器），設(shè)計(jì)壓力41MPa、50MPa，外直徑≤559mm，有效容積1000L，生產(chǎn)企業(yè)有安瑞科、藍(lán)能、南亮。

1.2.2 多層鋼質(zhì)儲(chǔ)氫高壓容器

全多層儲(chǔ)氫高壓容器：浙江大學(xué)研制，雙層半球形封頭+鋼帶錯(cuò)繞筒體；設(shè)計(jì)壓力50MPa、70MPa、98MPa，容積2.0m3、5.0m3、7.3m3、10.0m3等。

層板包扎儲(chǔ)氫高壓容器：結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌影肭蛐畏忸^+多層包扎筒體，設(shè)計(jì)壓力為41MPa、50MPa、70MPa、98MPa；容積為0.053m3、 0.3 m3、0.9m3、1.0m3、2.0m3、 5.0m3、7.3m3。

1.2.3 復(fù)合材料高壓容器

金屬內(nèi)襯+玻璃增強(qiáng)纖維儲(chǔ)氫容器：是在單層鋼制油罐的基礎(chǔ)上外附一層玻璃纖維增強(qiáng)塑料防滲外套，構(gòu)成雙層罐。這種罐具有雙層罐的共同特點(diǎn)外，還由于其外層玻璃纖維增強(qiáng)塑料罐體抗土壤和化學(xué)腐蝕方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼制油罐。

玻璃增強(qiáng)纖維材料，又叫玻璃鋼，原材料主要是樹(shù)脂，樹(shù)脂是熱固性塑料，使用溫度高，經(jīng)玻纖和石棉填充后，阻燃性大大增加，如果給它加熱，一般在200℃以上開(kāi)始分解。具有蠕變性小，形狀穩(wěn)定，電絕緣性能好，絕緣電阻和介質(zhì)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

在樹(shù)脂中添加抗靜電劑，以改善復(fù)合材料的表面性能，提高導(dǎo)電性。防止使用時(shí)產(chǎn)生靜電的危害。在制造標(biāo)準(zhǔn)中要求玻璃鋼罐工作面的表面電阻率不大于1×108歐姆，按照國(guó)標(biāo)《防止靜電事故通用導(dǎo)則》“在任何條件下，體積電阻率大于1×106歐姆米，小于1×106歐姆米的物料及表面電阻率大于1×107歐姆米，小于1×1011歐姆米的固體表面”，該玻璃鋼罐工作面屬靜電亞導(dǎo)體。靜電亞導(dǎo)體的導(dǎo)靜電性能處于靜電導(dǎo)體和靜電非導(dǎo)體之間。在靜電發(fā)生率不大的情況下，只要對(duì)靜電亞導(dǎo)體可靠接地，就能避免靜電危害。但在靜電發(fā)生率很大的情況下，接近電阻率上限的靜電亞導(dǎo)體，也能積累較多的靜電，因此除接地外，還應(yīng)采取其他消除或防止靜電的措施。

2.儲(chǔ)氫罐爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 氫氣的理化性質(zhì)

氫氣在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為0.0899千克/立方米，僅是空氣重量的1/14，是質(zhì)量最輕的氣體。作為易燃?xì)怏w，它屬于Ⅰ類(lèi)危險(xiǎn)品（非燃料），空氣中爆炸范圍為4.0--75.0，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱即發(fā)生爆炸；長(zhǎng)期以來(lái)被作為?；饭芾怼錃馄渲亓繑U(kuò)散系數(shù)是汽油12倍，氫氣無(wú)色無(wú)味，發(fā)生泄漏后不易被發(fā)現(xiàn)。氫氣在常溫常壓下不會(huì)對(duì)鋼產(chǎn)生明顯的腐蝕，但當(dāng)溫度超過(guò)300℃和壓力高于30MPa時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氫脆這種腐蝕缺陷，尤其是在高溫條件下。

2.2 儲(chǔ)氫罐發(fā)生燃燒爆炸風(fēng)險(xiǎn)

氫原子是已知元素中的最小原子，在高壓工作狀態(tài)下，氫原子易通過(guò)鋼材晶格間隙進(jìn)入鋼材內(nèi)部，聚集在鋼材內(nèi)部的裂紋缺陷中，在裂紋缺陷中氫濃度增大則容易破壞鋼材的晶格結(jié)構(gòu)，使鋼材裂紋擴(kuò)大，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，則鋼材強(qiáng)度降低而使容器損壞。目前加氫站單層儲(chǔ)氫罐所用的鋼材由于造價(jià)的原因，多為普通鋼材如螺紋鋼，易受到氫的腐蝕形成氫脆。多層儲(chǔ)罐雖采用了優(yōu)質(zhì)鋼材，但也主要是在直筒部分進(jìn)行包裹，封頭部分仍采用普通鋼材，仍有可能產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。

儲(chǔ)罐長(zhǎng)期高于一定溫度下儲(chǔ)存氣體，或罐壁長(zhǎng)期承受過(guò)高壓力，其屈服度和強(qiáng)度降低，引起塑性破壞，從而導(dǎo)致壓力容器從應(yīng)力集中地方開(kāi)始出現(xiàn)微小裂紋，裂紋兩端在交變應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展，最后導(dǎo)致壓力容器破壞。陽(yáng)光直射時(shí)儲(chǔ)罐里的氫氣被加熱升溫，罐內(nèi)氣體壓力升高，氣體在頂部空間積聚，達(dá)到一定的壓力后可燃?xì)怏w會(huì)外泄排出。

直擊雷擊中儲(chǔ)罐，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，其產(chǎn)生的電弧中心溫度高達(dá)上萬(wàn)度，可以將儲(chǔ)罐的罐壁燒穿。站址附近發(fā)生雷擊時(shí)，會(huì)在罐體機(jī)械密封突出的金屬件之間引起火花放電，就形成了危險(xiǎn)的點(diǎn)火源。儲(chǔ)罐里的氫氣因各種原因發(fā)生泄漏，遇火源氫氣很容易被點(diǎn)燃，引發(fā)火災(zāi)，另外大量的氫氣被釋放在空氣來(lái)不及擴(kuò)散，當(dāng)氫氣和空氣的混合物高于4vol%時(shí)，就會(huì)發(fā)生爆炸。

高壓氣態(tài)氫儲(chǔ)罐要做到安全運(yùn)行，首先是優(yōu)化儲(chǔ)氫罐工藝設(shè)計(jì)、儲(chǔ)存方式，其次是清除雷擊或靜電火花風(fēng)險(xiǎn)。

3.儲(chǔ)氫罐防雷設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氫罐為露天布置，主要考慮對(duì)儲(chǔ)罐防直擊雷和防靜電感應(yīng)。雷擊事故最嚴(yán)重的情況是雷電直接擊中儲(chǔ)罐，如果儲(chǔ)罐安裝有符合要求的防雷設(shè)施，能迅速將雷電流泄放到接地裝置，能夠承受雷電電流的沖擊而不被擊穿。

3.1 防雷等級(jí)劃分

按照《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定，氫氣罐的周?chē)臻g規(guī)定為1、2區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所，依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）3.0.3中有關(guān)第二類(lèi)防雷建筑物規(guī)定，1區(qū)，且電火花不易引起爆炸或不致造成巨大破壞和人身傷亡者，2區(qū)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的建筑物，有爆炸危險(xiǎn)的露天封裝鋼質(zhì)氣罐，防雷等級(jí)為二類(lèi)。

3.2 直擊雷防護(hù)

3.2.1 儲(chǔ)罐接閃性分析

金屬類(lèi)儲(chǔ)氫罐壁壁厚遠(yuǎn)大于4mm，按規(guī)范要求是可利用罐本體作為接閃器。由于氫氣特有的理化性質(zhì)，質(zhì)量輕、比其他氣體更易泄漏，罐體易發(fā)生氫脆，所以不能作為接閃器使用。玻璃增強(qiáng)纖維材料作為非金屬儲(chǔ)罐，雷擊的高溫及能量足以引起玻璃鋼熱固體塑料分解甚至氣，本體不能作為接閃器，因此需加設(shè)避雷針作為防直擊雷設(shè)施。

3.2.2 防直擊雷措施

避雷針能將雷電流引入大地，以保證儲(chǔ)罐的安全，避雷針?lè)譃楠?dú)立避雷針和附設(shè)避雷針。獨(dú)立避雷針是離開(kāi)建筑物單獨(dú)裝設(shè)的；附設(shè)避雷針是裝設(shè)在建筑物上的。一套完整的避雷裝置包括接閃器、引下線和接地裝置。由于避雷針高度較高，并且具有良好的接地，隨著雷云的帶電，避雷針上因靜電感應(yīng)而聚集了與雷云相反的電荷，使其針上和附近的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，所以當(dāng)雷云開(kāi)始放電時(shí)，電場(chǎng)發(fā)生畸變，雷云放電途徑由原來(lái)可能向被保護(hù)建筑物發(fā)展的方向轉(zhuǎn)到避雷針本身，然后將雷電流按預(yù)定通路導(dǎo)入大地。

儲(chǔ)罐表面上安裝避雷短針。在采用獨(dú)立避雷針難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，可在儲(chǔ)罐罐頂護(hù)欄處安裝3—4支避雷針。避雷針在護(hù)欄處的安裝位置應(yīng)均勻分布。避雷針的規(guī)格應(yīng)滿足下列要求：

3.2.2.1 針長(zhǎng)＜1m時(shí)： 圓 鋼為φ12mm；鋼 管 為φ20mm。

3.2.2.2 針 長(zhǎng)1-2m時(shí)：圓 鋼 為φ16mm；鋼 管 為φ25mm。

3.2.3 引下線設(shè)置

引下線不少于兩根，采用熱鍍鋅圓鋼或扁鋼，明敷設(shè)置，以最短路徑接地，圓鋼直徑不小于10mm，扁鋼截面不小于80mm2，距離儲(chǔ)罐壁距離大于0.1m。

3.3 防雷防靜電接地

儲(chǔ)罐在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)在罐體設(shè)備壁上產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，由于電荷量的積累，極易引起電火花，造成火災(zāi)，甚至爆炸。因此，需要有良好的接地，將積聚的電荷引入大地進(jìn)行中和。在氣流輸送管道中央，加設(shè)兩端接地的金屬線或管道靜電消除器，以降低管內(nèi)靜電電位。接地裝置宜采用耐腐蝕性較好的金屬銅材料，從專用埋設(shè)的地線接地體引出的接地線，敷設(shè)到儲(chǔ)罐的靜電接地。對(duì)于單獨(dú)敷設(shè)的接地導(dǎo)線通常使用厚度要求應(yīng)≥25×4mm的鍍鋅扁鋼或用截面≥16mm2的銅芯軟線作為罐體的支線單獨(dú)引入。

玻璃纖維具有很好抗腐蝕能力，其儲(chǔ)罐不需要做防腐，不會(huì)發(fā)生因接地材料與犧牲陽(yáng)極，和強(qiáng)制電流防腐法發(fā)生沖突。根據(jù)《防止靜電事故通用導(dǎo)則》要求，由于玻璃纖維屬于非金屬材料，因此在該類(lèi)儲(chǔ)罐安裝過(guò)程中，用直徑不小于8mm的銅棒與罐底內(nèi)部工作面進(jìn)行連接，其緊密接觸面積應(yīng)大于20cm2，并加設(shè)金屬箔保證可靠連接，該銅棒接地線在罐內(nèi)、外應(yīng)盡量的短，與罐外接地裝置經(jīng)斷接卡可靠連接，該接地線不得與防直擊雷地線共用。固定設(shè)備與接地線或連接線宜采用螺栓連接，連接端子可設(shè)置在設(shè)備的側(cè)面、設(shè)備聯(lián)合金屬支座的側(cè)面或端部位置。金屬管道部件及其他隔離絕緣部件（如法蘭、膠管接頭、噴嘴等），應(yīng)采用銅芯軟絞線跨接引出接地。

儲(chǔ)罐的防雷、防靜電接地應(yīng)納入站內(nèi)共用接地裝置,其接地電阻不宜大于4Ω。距儲(chǔ)罐周?chē)?m，作環(huán)形接地體，接地裝置采用水平接地體和垂直接地體的裝置，接地體的埋深為1m，水平接地體采用直徑20mm的圓鋼，接地體距離儲(chǔ)罐的距離為3m，接地干線采用40×4mm的扁鋼。靜電導(dǎo)體與大地間的總泄漏電阻值在通常情況下均不應(yīng)大于106Ω。每組專設(shè)的靜電接地體的接地電阻值一般不應(yīng)大于100Ω。

4.結(jié)論

加氫站屬公眾場(chǎng)所，來(lái)往車(chē)輛較多，人員較為密集，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸，必將對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。高壓氫氣儲(chǔ)罐不但有可能發(fā)生因罐體強(qiáng)度不足( 特別是高強(qiáng)鋼脆化 )引起的物理爆炸,而且有可能發(fā)生雷擊和靜電火花引發(fā)的火災(zāi)、爆炸事故,且其風(fēng)險(xiǎn)程度隨罐體容積增大、壓力升高而加大。因此必須做好儲(chǔ)氫罐的防雷防靜電工作,排除高壓儲(chǔ)氫罐的爆炸風(fēng)險(xiǎn)隱患,確保加氫站的安全運(yùn)行。